引用

次世代ポリオレフィン総合研究 Vol.9, 2015

ポリエチレン圧力パイプ材料の技術動向と高性能化
吉清 哲也 a

平本 知己 b

ポリエチレンは高い品質信頼性と優れた加工および施工性により、様々な用途のパイプとして使用されている。特に高圧耐久性に優れる PE100 材料は水道配水管などの用途で使用が拡大しており、過酷な環境下での使用や製品の安全率向上の為に更なる耐久性の改良が要求されている。また使用量の拡大により、耐久性を落とすことなく成形加工性の優れた PE100 材料が求められている。これらの要求に対する最適な分子設計を独自のプロセスと高性能チーグラー触媒を用いて精密に重合することにより、特徴的な 2 種のグレードを開発することに成功した。に内圧 1MPa 以下の水道配水用で使用されており、パ１．背景
ガス導管や水道、下水道などに使用されるパイプにイプ分野の中で現在最も成長している分野である。ポは、鋼管や鋳鉄管などの金属管の他、ポリ塩化ビニルリエチレン材料の等級分けに必要な ISO 9080 5) での管などの樹脂管等、多くの種類のパイプが使用されて静水圧クリープ試験結果と、ISO12162 6) に規定されたいる。昨今の建築・土木分野の需要の落ち込みを受け、分類表を、それぞれ図 1 および表 1 に示す。

多くのパイプは出荷数量が落ち込んでいる中で、ポリエチレンパイプと架橋ポリエチレンのみが順調に出荷数量を伸ばしている。ポリエチレンパイプの中でも特に水道配水用は年率約 110%の割合で年々適用が広がっており、2007 年の出荷量（7,300t）に対して、2016年は倍増（15,500t）すると予測されている。1)
ポリエチレンパイプは軽量で、かつ柔軟なため、施工性に優れることに加え、ポリエチレンは化学的・電気的に安定であり、腐食にも強い。またポリエチレン
図1

は容易に成形・加工ができるため、大量連続生産や多静水圧クリープ試験データ

種多様な形状の製品を生産することが可能である。更表1にポリエチレンパイプの接合の多くは熱融着システムを採用しているため、接合部が完全一体化すること

圧力パイプ向け材料の分類表（抜粋）σLPL *MRS **

等級･･･

･･･

･･･

合強度から、優れた耐震性能を示す。2011 年 3 月 116.3～7.99

6.3

PE63日に起こった東日本大震災においても、ポリエチレン

8～9.998PE8010～11.1910PE100･･････

により、接合部の信頼性は極めて高い。
このようにポリエチレンパイプは柔軟かつ高い接パイプの被害はなかったと報告されている。

2)

阪･･･

神・淡路大震災等国内でこれまで起こった大震災でもポリエチレンパイプの被害報告はなく、これらの結果* 97.5%下方信頼限界予測静水圧強度** 最小要求強度（Minimum required strength）

を受けて厚生労働省や日本水道協会はポリエチレン3), 4)

を耐震管の一つとして定義している。

ガス管や水道管のような圧力パイプに使用されるポリエチレン材料は ISO 規格により規定されており、その長期耐圧性により等級分けがされている。現在最も長期耐圧性が高いポリエチレン材料のレベルはPE100 と呼ばれるカテゴリの材料であり、国内では主ポリエチレン圧力パイプの市場拡大につれ、材料性能への要求もより厳しくなっていくと考えられる。
現在、パイプ埋設時の施工コストの削減を目的として、非開削工法や no-sand 工法などの各種新工法が開発されている。7)a 日本ポリエチレン株式会社，研究開発部

4 グループ，グループリーダーb 日本ポリエチレン株式会社，研究開発部

4 グループ

しかし開削・埋戻し工程を省略した非開削工法の場合、設置箇所にパイプを直接る。Y. L. Huang らは、結晶厚さを Lc、非晶厚さを引き入れるため、パイプ表面に傷が付き、その部分La とした場合、分子の末端間距離が 2Lc+La より大が欠点となり、使用中に破壊を生じる危険性がある。

きくなるとタイ分子が生成すると仮定して、ポリエまた、高価な砂基礎を使用しない no-sand 工法の場チレンのタイ分子数を計算している。8)合、埋戻し土中にある石などがパイプ表面に接触しから、剛性を低下させない様にコモノマー濃度は変たまま設置される可能性があるため、その部分が土えずに、タイ分子数を増加させるためには、コモノ圧によりパイプへ負荷をかけ、クラックが生じるこ

マーをより高分子量側に集中し、かつ均一に導入すとがある。一方、市場への適用が進むと継手製品等ることが重要である。9)

この理論の形状のバリエーションも増えることが予想される

更にパイプ材料には強度や耐久性、剛性などの物が、その際も無理な形状設計をすると加圧時に形状性の他、成形性や製品外観、製品収縮量などが要求起因により発生する応力により破壊を促す可能性がされる。これらの要求性能をうまくバランスさせるある。これらの問題を克服するためには、使用されために、今日のポリエチレン圧力パイプ材料の多くている材料は長時間にわたってクラックが進展する

は、高分子量成分と低分子量成分を連続重合するバ

低速亀裂成長（Slow crack growth; SCG）に対する抵イモーダルプロセスで製造されている。表 2 にポリ抗性を向上させる必要がある。

エチレン圧力パイプ材料に要求される物性とバイモ

一方、ポリエチレン圧力パイプ材料は長期の耐久ーダル材料の基本的設計の関係について示す。

性を確保するために総じて分子量が高く設定されて３．材料設計検討いることから、成形加工性が優れているとは言い難い。よって、出荷量が増えるに従い、製品の生産性材料特性を主に決定づける分子量とコモノマー導向上も要求されてきている。

入量は、重合温度、重合圧力、滞留時間、水素濃度、以上のことから、我々は今後のポリエチレン圧力コモノマー濃度などの重合条件により調整される。

パイプ材料として、耐 SCG 性が極めて優れた PE100

多段重合プロセスでは、それぞれの重合槽で独立制材料、および優れた成形加工性と耐久性のバランス御されるが、我々が開発目標とした材料特性を発現を有した PE100 材料の開発に着手することにした。

するために設定された分子設計通りのポリマーを得るためには、各重合条件をこれまで以上に精密にコ２．分子設計と材料性能の関係ントロールすることが求められた。そこで当社独自

SCG におけるクラックの進展は結晶ラメラ間での 多 段 重 合 ス ラ リ ー ル ー プ プ ロ セ ス （ AMSLP;

起こり、その亀裂進展の速度は結晶間に存在するタAdvanced Multi-modal Slurry Loop Process）と高性能イ分子がほぐれる速度と関係していると考えられてチーグラー・ナッタ触媒を活用して材料開発を行っいる。そのため耐 SCG 性を向上させるためには、タた。AMSLP は連続した 3 つのリアクターを持ち、イ分子を増加させることが有効である。一般的にコ各分子量成分を精密に重合することが可能である。

モノマー濃度を増加させて短鎖分岐を多く導入する

また我々の高性能チーグラー・ナッタ触媒は高い共ことでタイ分子を増すと理解されている。その場合重合性を示し、ポリマー分子鎖に均一にコモノマー剛性が低下してしまうため、圧力パイプ材料にとっを導入することが可能である。
極めて優れた耐 SCG 性を有する PE100 材料を実ては耐久性と剛性を良好にバランスさせる必要があ

表 2 要求物性に対する分子設計の影響
要求物性（＋：良化、－：悪化）

重合成分

分子量分布高分子量成分

低分子量成分狭広クリープ性能＋－－＋耐応力亀裂性＋－－＋引張強度＋－

衝撃強度＋－＋－

剛性－＋

成形加工性

－＋－＋

製品外観

－＋－

低収縮－－

現するには、前述の通り、コモノマーをより高分子に集中し、かつポリエチレン分子鎖中に均一に導入量側に集中し、かつ均一に導入することが重要であされていることが示唆される。その結果、促進 FNCTる。言い換えると、高分子量成分での共重合性を向の値は従来品と比較して、約 8 倍も向上させること上し、かつ均一に導入し、更に低分子量成分重合時ができた。にできる限り密度を上げられる様な触媒や重合条件

一方ノバテック TM HD HE222W については、更を選択することが不可欠となる。更に優れた成形加にコモノマー導入状態を最適化することにより、流工性と耐久性のバランスを有するためには、各リア動性（HLMFR）を大幅に向上しつつ、耐 SCG 性をクターで重合されるポリマーの分子量と重合量を適従来品の 5 倍に引き上げることを達成した。

切に設定し、分子量分布を最適化する必要がある。
表 3 新 PE100 グレード検討結果

我々は高分子量成分へのコモノマーの選択的導入
状態と均一性を評価するために、C-13 NMR にて測

PE100-1

HE212W

HE222W

2 段重合AMSLPAMSLP定可能な CL/CH と Tβδ/Tδδ/C というパラメーターをプロセス用いることにした。CL/CH は低分子量成分中のコモHLMFR (g/10min)

ノマー濃度（CL）と高分子量成分中のコモノマー濃9918

密度 (kg/m3)

950948950

コモノマー

C6C6C6C (mol %)

0.42

0.55

0.42

CL/CH (－)

0.40

0.160.07

Tβδ/Tδδ/C (－)

0.14

0.090.08

促進 FNCT (h)

70

550

350度（CH）の比を表し、各リアクターから採取した重合パウダーのコモノマー濃度を測定することで得ることができる。10) 11)

CL/CH の値が低いほど、高分子量成分に集中してコモノマーが導入されていることを示す。一方、Tβδ は C-13 NMR スペクトルの36.0ppm でのピーク高さから算出され、連続した 2つのコモノマー導入の数を表す。同様に Tδδ は38.1ppm でのピーク高さから算出され、独立したコモノマー導入の数を表す。12)

C はポリマー全体のコモノマー濃度を示す。よって、Tβδ/Tδδ/C の値が低いほど、ポリエチレン分子鎖中にコモノマーがよ

４．材料評価結果
ノバテック TM HD HE212W とノバテック TM HD
HE222W について、各種物性の評価結果を表 4 に示す。
表4り均一に導入されていることを示す。

PE100 グレード評価結果

また耐 SCG 性を短時間で評価するために、JIS K試験項目試験法

HE212W

HE222W6774 13) に規定されている全周ノッチ式引張クリーHLMFR (g/10min)

ISO1133918プ試験（FNCT; Full Notch Creep Test）を界面活性剤

密度 (kg/m3)

ISO1183

水溶液中で実施した。試験片は断面が 6mm×6mm

σLPL (MPa)ISO9080

曲げ弾性率 (MPa)ISO178948
10.22(PE100)
1,100

950
10.89(PE100)
1,200

ISO1793422ISO179

199NPT (h)ISO13479

21,7003,900

RCP-S4 (bar)ISO13477> 25－の角柱の中央部全面に 1mm 深さのレザーノッチを入れたものを用い、80℃の 1%アルキル硫酸ナトリウム水溶液中で、5MPa の試験応力を付加した状態での破壊時間を測定した。本試験法は、パイプでの耐 SCG 性の評価方法であるノッチ式パイプクリープ試験（NPT; Notched Pipe Test）14) と非常に良い相15)関があることが確認されている。

シャルピー衝撃
強度 23℃ (kJ/m2)
シャルピー衝撃
強度-20℃ (kJ/m2)

分子設計と AMSLP での条件検討を重ねた結果、極めて優れた耐 SCG 性を有する PE100 グレードでノバテック TM HD

ある ”ノバテック TM HD

HE212W” と、優れた成形の一つは NPT である。外径 110mm、厚さ 10mm に加工性と耐久性のバランスを有した PE100 グレード

成形したパイプを用い、ISO 13479 に準拠して試験

HE212W の特筆すべきデータ

HE222W” を開発するに温度 80℃、内圧 9.2bar の条件で測定した結果、破壊至った。これら新 PE100 グレードの検討結果を表 3

時間は 21,700h（5 点の平均値；17,200～24,200h）でに示す。

あった。水道配水用ポリエチレンパイプの規格で規である”ノバテックTMHD

ノバテック TM HD HE212W は従来の PE100 材料

定されている規格値は、日本水道協会規格（JWWAと同程度の分子量（HLMFR）と密度を示すが、CL/CH

K144）16) で 165h 以上、ISO 規格（ISO 4427）17) でと Tβδ/Tδδ/C の値から、コモノマーが高分子量成分500h であり、これらの規格値に対して極めて高い水準であった。また過酷な使用環境下を想定して規定された DIN PAS 107518)での規格値（8,760h 以上）

従 来 の PE100 材 料 の 中 で も 流 動 性 に 優 れ た
HLMFR=17g/10min の PE100-2 と 比 較 し て も 、に対しても大きく上回る値であった。

HE222W は同一押出量見合いのモーター負荷、およこのように極めて優れた耐 SCG 性を確立した分子び樹脂圧力が低く、押出成形性に優れる。これらの設計により、常温および低温においても非常に優れ結果より、HE222W は従来材より生産レートを向上た衝撃強度を併せ持つ。外径 110mm、厚さ 10mm にすることができ、かつ省エネルギー化が図れるもの

成形したパイプにて、ISO 1347719)に規定されたパと考える。

イ プ の 急 速 亀 裂 進 展 性 （ RCP; Rapid Crack

また水道パイプ向けの継手は射出成形にて成形さPropagation）を 0℃にて評価した結果、測定限界でれるため、射出成形性についても評価を行った。フ

ある内圧 25bar でも亀裂は発生しなかった。

ァナック社製 ROBOSHOT 2000i 100B 成形機にて、TM

HE222W については、流アルキメデス型スパイラル金型（10mm 幅、2mm 厚動性を大幅に上げた設定にしたものの、衝撃強度はさ）を用い、成形温度 230℃、金型温度 40℃にて実従来の PE100 材のレベルを維持し、NPT についても施した。図 4 に射出圧力見合いのスパイラルフロー

ISO 4427 の規格値を約 8 倍上回ることを確認した。

長さのデータを示す。

一方ノバテックHD

更に成形加工性の評価としてパイプ成形機を用いて押出特性を確認した。テストはクラウス・マッフ
ァイ社製パイプ成形機（スクリュー径; 45mmφ、L/D;33）を用いて、200℃にて行った。図 2 に押出量とモーター負荷の関係を、図 3 に押出量と樹脂圧力の関係を示す。

図4

射出成形性評価結果

HE222W の 230℃でのスパイラルフロー長さは、従来材 PE100-2 と比較しても 10%長く、流動性に優れることが認められる。従って、成形困難な複雑形状製品などについても製品化の可能性が高まり、品揃図2

押出性評価結果①えの拡大に貢献できると考える。更に HE222W は210℃に成形温度を下げても従来材と同等の流動性があることを確認した。このことにより、成形サイクルを上げることが可能となり、また省エネルギーにも貢献できる。更に成形時に発生するヤケ等が抑えることができ、ヤケ混入による製品の歩留まり向上も期待できる。

４．結論
今回の研究で、ポリエチレン圧力パイプ向け材料の分子設計において、高分子量成分にコモノマーを集中させ、かつ均一に導入することが重要であることが確認できた。そして我々が所有する 3 段リアクタープロ
図3

押出性評価結果②セスである AMSLP と高性能チーグラー・ナッタ触媒を用いて、精密に分子設計することにより、これまでにない特徴的な 2 種類の PE100 材料を開発することに20)

General (2007)

今後もポリエチレン材料の更なる改良を

18) DIN PAS 1075, Pipes Made From Polyethylene For

継続的に進めることによって、パイプ業界におけるポAlternative Installation Techniques - Dimensions,リエチレン材料の更なる適用拡大に寄与できるものとTechnical Requirements And Testing (2009)

成功した。

19) ISO考える。

13477,

Thermoplastics

pipes

for

theconveyance of fluids – Determination of resistanceto rapid crack propagation (RCP) – Small-scale

文献1)『2013 年版

各種パイプの需要動向と中期予測』,（株）矢野経済研究所, 41-44, 221-239 (2013)2)『平成 23 年東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）水道管路被害調査 4 次報告書

ダイジェスト版』, 配水用ポリエチレンパイプシステム
協会, 4-5 (2013)
3)『水道ビジョン』, 厚生労働省 (2004)

4)『水道事業ガイドライン』, 日本水道協会(2005)

5)

ISO 9080, Plastics piping and ducting systems –Determination of long-term hydrostatic strength ofthermoplastics

materials

inpipeform

byextrapolation (2012)6)

ISO 12162, Thermoplastics materials for pipes andfittings for pressure applications – Classification,designation and design coefficient (2009)

7)

H. Haubruge, E. Laurent: in proceedings of Plastics
Pipes XV, Vancouver, Canada, 20-22 Sep. 2010.

8)

Y. L. Huang, N. Brown: J. Polym. Sci., 29, 129(1991)

9)

X. Lu, N. Ishikawa, N. Brown: J. Polym. Sci., 34,
1809 (1996)

10) E. T. Hsieh, J. C. Randall: Macromolecules, 15, 353(1982)
11) E. T. Hsieh, J. C. Randall: Macromolecules, 15,1402 (1982)
12) J. C. Randall: Macromolecules, 29, 201 (1989)
13) JIS K 6774, ガス用ポリエチレン管 (2013)14) ISO13479,Polyolefin

pipes

for

theconveyance of fluids - Determination ofresistance to crack propagation - Test method
for slow crack growth on notched pipes (2009)15) T. Hiramoto, T. Yoshikiyo: in proceedings ofPlastics Pipes XVII, Chicago, USA, 22-24 Sep.
2014.
16) JWWA K 144, 水 道 配 水 用 ポ リ エ チ レ ン 管(2009)17) ISO 4427-1, Plastics piping systems - Polyethylene(PE) pipes and fittings for water supply - Part 1:

steady-state test (S4-test) (2008)
20) 特許 5016258